close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

234

код для вставкиСкачать
621
А724
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
В.А. АНТИПИН, М.С. ГАЛАЙ
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Методические указания к выполнению
лабораторной работы
НОВОСИБИРСК
2012
УДК 621.1.016.4
А721
А н т и п и н В . А. , Г а л а й М . С . Изучение теплообменного
аппарата: Метод. указ. к выполнению лабораторной работы. —
Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. — 19 с.
В методических указаниях изложены основные сведения о теплообменных
аппаратах. Рассмотрена методика теплового расчета теплообменного аппарата.
Приведены порядок выполнения, описание экспериментальной установки по
изучению теплообменного аппарата типа «труба в трубе».
Методические указания предназначаются для студентов специальностей
«Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование»,
«Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (строительные, дорожные и коммунальные машины)», «Автомобили и автомобильное
хозяйство», «Промышленное и гражданское строительство», «Водоснабжение
и водоотведение», «Безопасность технологических процессов и производств».
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин».
Ответственный редактор
канд. техн. наук, доц. Ю.С. Борчевкин
Рецензент
младший научный сотрудник Института теплофизики
им. С.С. Кутателадзе СО РАН, канд. техн. наук И.В. Мезенцев


Антипин В.А., Галай М.С., 2012
Сибирский государственный
университет путей сообщения, 2012
ВВЕДЕНИЕ
Инженеры-механики и инженеры-строители сталкиваются с
технологическими процессами, в которых требуется осуществить
подвод и отвод теплоты. Для решения этой задачи применяют
теплообменные аппараты. В строительно-дорожных машинах
теплообменные аппараты служат для отвода тепла от систем
двигателя внутреннего сгорания и компрессоров. В теплоснабжении теплообменные аппараты используют в системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.
В последнее время во всем мире идет тенденция к энергосбережению топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим
применение теплообменных аппаратов является актуальным,
поскольку они позволяют экономить тепловую энергию за счет
возврата тепла от отработанных газов или воды, а также выбросов теплого вентиляционного воздуха.
В данных методических указаниях приведены типы теплообменных аппаратов и рассмотрена методика теплового расчета
теплообменного аппарата, которая позволит студентам изучить
закономерности процесса теплообмена и определить коэффициенты теплопередачи при прямоточной и противоточной схемах
движения теплоносителей в теплообменном аппарате.
3
1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Теплообменный аппарат – это устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы,
пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные
аппараты используют как нагреватели и как охладители. По
принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют
собой устройства, в которых перенос теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку, которая называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: меди, стали, латуни, сплавов алюминия.
Если теплоносителями являются жидкости, то теплообмен
происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если
хоть один из теплоносителей является излучающим газом, то и за
счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются
парогенераторы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.
В зависимости от схемы движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть:
1) прямоточными, когда движение двух теплоносителей в
теплообменном аппарате параллельно друг другу в одном и том
же направлении;
2) противоточными, когда движение двух теплоносителей в
теплообменном аппарате параллельно друг другу в противоположных направлениях;
3) перекрестноточными, когда движение двух теплоносителей в теплообменном аппарате во взаимно перпендикулярных
направлениях.
Самым простым рекуперативным теплообменником по конструктивному оформлению является аппарат типа «труба в трубе», схема которого представлена на рис. 1. Теплообменник
состоит из наружной 1 и внутренней 2 труб, соединительных
калачей 3 и штуцеров с фланцевым соединением 4 для подвода
и отвода теплоносителей.
4
Рис. 1. Теплообменный аппарат типа «труба в трубе»
В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» один теплоноситель движется в трубе, а другой – в межтрубном пространстве.
Двухтрубные теплообменники изготавливаются с площадью
поверхности теплообмена от 0,5 до 93 м 2. Длина труб теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3–6 м, диаметр
наружной трубы – 76–159 мм, внутренней – 57–108 мм. Данные
теплообменники применяют в системах теплоснабжения.
Наиболее ярким примером рекуперативного теплообменника
является радиатор, у которого схема движения теплоносителей
перекрестная (рис. 2).
Рис. 2. Перекрестные схемы движения теплоносителей:
1 – холодный теплоноситель; 2 – горячий теплоноситель
Радиатор предназначен для поддержания оптимального теплового состояния двигателя внутреннего сгорания в пределах
353–363 К, и предотвращения его перегрева. Радиатор состоит из
верхнего и нижнего бачков, соединенных трубками, по которым
5
протекает поступающая из двигателя жидкость. Теплота от
жидкости передается через трубки воздуху, движущемуся через
радиатор. Между трубками вставлена металлическая лента для
увеличения площади теплообмена между стенками трубок и
потоком воздуха. В различных конструкциях радиаторов применяют шовные или цельнотянутые трубки из латуни или алюминия
диаметром до 0,15 мм.
Регенераторы – теплообменные аппараты, в которых теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью
вспомогательного вещества. Это вещество (промежуточный
теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а
затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю. Для этого необходимо либо переносить сам промежуточный теплоноситель из одного потока в другой (рис. 3, а), либо
периодически переключать потоки теплоносителей в теплообменнике периодического действия (рис. 3, б). В качестве промежуточного теплоносителя используется твердый достаточно
массивный материал – листы металла, кирпичи, различные засыпки.
1
5
2
3
4
6
Рис. 3. Регенератор:
1 – нагреваемый поток; 2 – греющий поток; 3 – теплопередающая
матрица; 4 – корпус; 5 – разделительная пластина; 6 – вал
6
Регенеративные теплообменники незаменимы для высокотемпературного (t > 1273 ° К) подогрева газов, поскольку жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах. Типичным примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.
В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячего и холодного теплоносителей. Примером таких теплообменников являются градирни тепловых электрических станций (рис. 4).
Рис. 4. Смесительный теплообменный аппарат (градирня):
1 – насадка; 2 – сепаратор водяных капель; 3 – вентилятор
В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается
с паром, возникающим из-за частичного испарения воды. В этом
процессе объединяется тепло- и массообмен.
7
2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.
По всей длине теплообменника происходит передача теплоты
от греющего теплоносителя к нагреваемому, в результате чего
изменяются температуры обоих теплоносителей. На изменение
температур теплоносителей большое влияние оказывает схема
движения теплоносителей. На рис. 5 представлены температурные графики для теплообменников с прямотоком и противотоком. Величина t называется температурным напором для любого сечения и определяется:
 t = t1 – t2,
(1)
где t1 – температура горячего (греющего) теплоносителя; t2 –
температура холодного (нагреваемого) теплоносителя.
а)
t2к
t2н
t1к t
1н
t1н
б)
t2к
t1к
t2н
Рис. 5. Характер изменения температуры горячего t 1 и холодного t 2
теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при движении их:
а – прямотоком; б – противотоком
8
В случае прямоточной схемы движения теплоносителей (рис. 5,
а) температурный напор определяется по формулам (2), (3):
на входе теплоносителей
 t = t1н – t2н,
(2)
где t1н, t2н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей;
на выходе теплоносителей
 t = t1к – t2к ,
(3)
где t1к , t2к – конечная температура горячего и холодного теплоносителей.
В случае противоточной схемы движения теплоносителей
(рис. 5, б) температурный напор определяется по формулам (4),
(5):
на входе теплоносителей
 t = t1н – t2к ,
(4)
на выходе теплоносителей
 t = t1к – t2н.
(5)
Большая разность температур теплоносителей обозначается
tб, а меньшая разность температур теплоносителей – tм. В прямоточном теплообменнике максимальный температурный напор tб
всегда на входе теплоносителей. По мере движения теплоносителей вдоль каналов температура горячего теплоносителя понижается, а холодного повышается, поэтому температурный напор
от входа к выходу уменьшается, и на выходе он становится
минимальным tм.
В противоточном теплообменнике в зависимости от расходов
теплоносителей и их теплоемкостей температурный напор изменяется следующим образом:
а) уменьшается, при этом tб будет со стороны входа греющего
теплоносителя (рис. 6, а);
б) увеличивается, при этом tб будет со стороны выхода греющего теплоносителя (рис. 6, б);
в) остается неизменным, при этом температурный напор на
входе и выходе греющего теплоносителя одинаков (рис. 6, в).
Q = kFtср,
(6)
где F – площадь поверхности теплообмена, м 2; tср – средний
температурный напор, К; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К).
9
а)
t
в)
б)
t
t
t 1н
t1н
t
t2к
t 1к
t2 н
t
t
t1 н
t 1к
t 2к
t
 tб t2 к
t 2н
t 1к
t
t 2н
F
F
F
Рис. 6. Изменение температурного напора в противоточном
теплообменном аппарате:
а – максимальный температурный напор со стороны входа греющего
теплоносителя; б – максимальный температурный напор со стороны
выхода греющего теплоносителя; в – температурный напор на входе и
выходе греющего теплоносителя одинаков
Средний температурный напор между теплоносителями tср:
t б  t м
t ср 
,
t
(7)
ln б
t м
где tб, tм – большая и меньшая разности температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата.
Площадь поверхности теплопередачи
F = dL,
(8)
где L – длина теплообменного аппарата, м; d – внешний диаметр
внутренней трубы теплообменника, м.
Коэффициент теплопередачи k рассчитывается по формуле
1
k
,
1  1
(9)
 
1   2
где  – толщина стенки трубок, м;  – коэффициент теплопроводности материала трубок, Вт/(м·К).
Коэффициенты теплопередачи 1 и 2 рассчитываются по
критериальным уравнениям.
Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке внутренней трубы 1:
Nu 
1  1 1 ,
(10)
d
где  1 – коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя, Вт/(м·К), (см. приложение); Nu1 – коэффициент Нуссельта;
10
Nu1  0,021Re10,8 Pr 0,43 ,
(11)
где Pr – среднее значение критерия Прандтля в диапазоне температур от t1н до t1к (см. приложение); Re1 – критерий Рейнольдса;
vd
Re1  1 ,
(12)
v1
где v1 – среднее значение вязкости горячего теплоносителя в
диапазоне температур от t1н до t1к , м2/с, (см. приложение); v1 –
среднее значение скорости течения горячего теплоносителя по
сечению трубы в диапазоне температур от t1н до t1к , м/с;
G
v1  1 ,
(13)
 Fсеч
где G1 – расход горячего теплоносителя, кг/с;  – среднее
значение плотности горячего теплоносителя в диапазоне температур от t1н до t1к , кг/м3 (принимаем  = 1000 кг/м3); Fсеч –
площадь сечения внутренней трубы, м2.
Коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к
холодному теплоносителю 2:
Nu2  2
2 
,
(14)
d экв
где  2 – коэффициент теплопроводности холодного теплоносителя, Вт/(м·К), (см. приложение); dэкв – эквивалентный диаметр
кольцевого зазора, м;
dэкв = D – d,
(15)
где D – диаметр наружной трубы теплообменника, м;
Критерий Нуссельта
Nu2  0,021Re 02,8 Pr 0,43 .
(16)
Критерий Рейнольдса
d эквv2
,
(17)
v2
где v2 – среднее значение вязкости холодного теплоносителя в
диапазоне температур от t2н до t2к , м2/с, (см. приложение); v2 –
среднее значение скорости течения холодного теплоносителя в
диапазоне температур от t2н до t2к , м/с;
Re 2 
11
G2
,
 2
(18)
 (D  d 2 )
4
где G2 – расход холодного теплоносителя, кг/с.
Количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном аппарате, можно определить по расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в теплообменном аппарате. В идеальном аппарате, работающем без теплообмена с окружающей средой, количество тепла, отданное
горячим теплоносителем Q1, должно равняться количеству тепла Q2 (без учета потерь в окружающую среду), полученному
холодным теплоносителем (уравнение теплового баланса):
Q = Q1 = Q2,
v2 
Q1  G1cp1 (t1н  t1к );
Q2  G2 cp 2 t 2 к  t2 н ,
(19)
где cр1, cр2 – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей,
Дж/(кг·К), (см. приложение);
Для упрощения теплового расчета введено понятие водяного
эквивалента:
W i = G i cр .
(20)
С учетом водяного эквивалента уравнение теплового баланса
(5) может быть представлено в следующем виде:
(21)
Q1  W1 (t1н  t1к ); Q2  W2 t 2 к  t 2н .
Целью расчета теплообменного аппарата является определение площади поверхности теплопередачи F исходя их из его
мощности и температур теплоносителей, определяемых из уравнений теплового баланса (19), а затем из уравнения теплопередачи (6) находят площадь поверхности теплопередачи. В данной
лабораторной работе площадь поверхности теплопередачи известна и представляет интерес определение коэффициента теплопередачи в зависимости от расхода теплоносителей и направления их движения. Коэффициент теплопередачи kэксп определяется по уравнению (6) на основании заданных геометрических
параметров теплообменного аппарата и начальных температур
теплоносителей. Также коэффициент теплопередачи kрасч можно
рассчитать аналитически на основании уравнения (9).
12
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 7, состоит из теплообменного аппарата и
регуляторов управления. Теплообменный аппарат 1 является
рекуперативным, типа «труба в трубе». Диаметр внутренней
трубы составляет 0,020 м, диаметр наружной трубы – 0,030 м.
Длина внутренней и наружной труб составляет 6 м. Толщина
стенок труб равна 0,5 мм. Материал труб – нержавеющая сталь
(коэффициент теплопроводности  = 17 Вт/(м·К)).
1
7
9
2
8
5
6
3
4
Рис. 7. Схема экспериментальной установки
Схемы движения теплоносителей «прямоток» – «противоток»
устанавливается с помощью переключателя 2. Расход греющего теплоносителя задается регулятором 3, расход нагреваемого
теплоносителя – регулятором 4.
Значения начальных температур греющего теплоносителя
устанавливаются регулятором 5, а нагреваемого теплоносителя – регулятором 6. Измерение локальных температур исследуемых теплоносителей производится при помощи датчиков 7,
расположенных в четырех сечениях. Результаты измерения тем13
ператур теплоносителей считываются по шкале термометра 8,
который соединен с датчиками через переключатель 9. В области греющего теплоносителя установлены датчики 1–4, а в
области нагреваемого теплоносителя – датчики 5–8.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться со схемой экспериментальной установки.
2. Установить значение начальной температуры греющего теплоносителя t1 = 100 °С, а нагреваемого теплоносителя – t5 = 10 °С.
3. Задаваясь значениями расхода греющего теплоносителя
G1, которые приведены в таблице, произвести измерение температур греющего и нагреваемого теплоносителей «вода–вода»
при двух схемах движения теплоносителей: прямоток и противоток. Расход нагреваемого теплоносителя G2 задается самостоятельно. Результаты измерений занести в таблицу.
4. Вычислить значения tср, F, W 1, W 2, Q1, Q2, kэксп, kрасч.
Коэффициент теплопередачи kрасч рассчитать аналитически
только для одного результата измерений характеристик теплообменного аппарата при противоточной и прямоточной схемах
движения теплоносителей.
Единица расхода теплоносителей в экспериментальной установке составляет кг/ч, при вычислениях перевести расход теплоносителей в кг/с.
При вычислении коэффициента теплопередачи k учитывать
только значение Q1, поскольку Q2 теплота, полученная вторым
теплоносителем, меньше Q1 на величину потерь через наружную
стенку.
5. Построить графики изменения температур при прямотоке и
противотоке.
6. Подготовить отчет:
название лабораторной работы,
цель лабораторной работы,
схема экспериментальной установки,
таблица измеренных и вычисленных значений (при записи
величин обязательно указывать их единицы),
графики изменения температур при прямотоке и противотоке,
анализ полученных результатов (вывод).
14
15
Результаты измерений
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите виды теплообменных аппаратов, охарактеризуйте каждый из них.
2. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков
физический смысл единицы его измерения?
3. Какие факторы и параметры теплообменных аппаратов
влияют на величину коэффициента теплопередачи?
4. В чем заключаются преимущества противоточной схемы
по сравнению с прямоточной?
5. Может ли температура горячего теплоносителя на выходе
из теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменника?
Рекомендуемая литература
1. Теплотехника: Учеб. для техн. спец. вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров,
Г.М. Камфер. М.: Высш. шк., 1999. 671 с.
2. Теплотехника: Учеб. для инж.-техн. спец. вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг,
О.К. Витт и др. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.
3. Лариков Н. Н. Теплотехника: Учеб. для вузов. М., 1985. 432 с.
16
Приложение
Теплофизические свойства воды
Температу- Плотность Теплоемкость Теплопроводность Кинематическая
ра t, °С
вязкость
, кг/м3 cp, кДж/(кг·K) ,10-2, Вт/(м·К)
v, 10-6, м2/с
0
999,9
4,212
55,1
1,789
10
999,7
4,191
57,4
1,306
20
998,2
4,183
59,9
1,006
30
995,7
4,174
61,8
0,805
40
992,2
4,174
63,5
0,659
50
988,1
4,174
64,8
0,556
60
983,2
4,179
65,9
0,478
70
977,8
4,187
66,8
0,415
80
971,8
4,195
67,4
0,365
90
965,3
4,208
68,0
0,326
100
958,4
4,202
68,3
0,295
Pr
13,67
9,52
7,02
5,42
4,31
3,54
2,98
2,55
2,21
1,95
1,75
17
Оглавление
Введение ............................................................................................................................ 3
1. Теплообменные аппараты ........................................................................................... 4
2. Тепловой расчет теплообменных аппаратов ............................................................ 8
3. Экспериментальная установка ............................................................................... 13
4. Порядок выполнения работы .................................................................................. 14
Вопросы для самоконтроля ...................................................................................... 16
Рекомендуемая литература ....................................................................................... 16
Приложение. Теплофизические свойства воды ........................................................ 17
18
Учебное издание
Антипин Владимир Андреевич
Галай Марина Сергеевна
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Редактор М.А. Жуковская
Компьютерная верстка Т.А. Соловьева
Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98
Подписано в печать 23.01.2012
1,25 печ. л. 1,0 уч.-изд. л. Тираж 150 экз. Заказ № 2489
Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения
630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191
Тел. (383) 328-03-81.
E-mail: press@stu.ru
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
601 Кб
Теги
234
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа